Die Eigenschaften metallischer Werkstoffe können durch eine gezielte Wärmebehandlung verändert und an die steigenden Anforderungen der Beanspruchung angepasst werden. Mit dieser Zielrichtung werden in der Abteilung Wärmebehandlung anwendungsorientierte, technisch-wissenschaftliche und wissenschaftliche Forschungsvorhaben mit Fragestellungen, die in Verbindung mit thermischen und thermochemischen Wärmebehandlungen auftreten, bearbeitet. Beispiele hierfür sind Prozessweiterentwicklungen zur Energie- und Betriebsmitteleinsparung oder zur Verbesserung von Bauteil- und Werkstoffeigenschaften.
Die Kompetenzen der Abteilung Wärmebehandlung umfassen sowohl die Randschicht- als auch die durchgreifenden Verfahren und decken die rein thermische Wärmebehandlung ebenso ab wie die thermochemische Wärmebehandlung. In der abteilungseigenen Härterei stehen für die Forschung und Entwicklung vielfältige Ofenanlagen im technischen Maßstab zur Verfügung. Viele der wissenschaftlichen Fragestellungen werden transferorientiert bearbeitet, um einen schnellen Übergang neuer Erkenntnisse aus der Forschung in die Industrielle Praxis zu gewährleisten.
Themenspektrum der Abteilung im Bereich der beanspruchungsorientierten Wärmebehandlungsverfahren
Weitere Forschungsschwerpunkte neben der Verfahrensentwicklung sind die Entwicklung und Erprobung prozessbegleitender Überwachungs- und Regelungssysteme, Abschrecktechnologie, sowie Maß- und Formänderungen bei der Wärmebehandlung. Die experimentellen Arbeiten werden unterstützt durch Wärmebehandlungssimulation und Berechnungen.
Neben der projektbezogenen Forschung bietet die Abteilung Unterstützung für die Industrie bei der Entwicklung angepasster Wärmebehandlungsverfahren für spezifische Eigenschaftsprofile der Bauteile sowie Unterstützung bei Problemen mit Maß- und Formänderungen und Schadensanalysen an.
Wärmebehandlungsaktivitäten werden in vier Arbeitsbereichen organisiert
Die Aktivitäten in den Hauptfeldern werden in den vier Arbeitsbereichen „Einsatzhärten“, „Induktionshärten“, „Sensorik und Nitrieren“ sowie „Simulation und Aschrecktechnologie“ organisiert. Im Folgenden werden die Themenschwerpunkte vorgestellt.
Einsatzhärten
Einsatzhärten ist das Verfahren der Wahl bei der Behandlung höchstbeanspruchter Bauteile, wie beispielsweise von Zahnrädern. Voraussetzung für eine sichere Prozessbeherrschung ist die Kenntnis der Verfahren und deren Abläufe, d. h. der thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten der Reaktionen in der Gasatmosphäre und in der Werkstückrandschicht. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz geeigneter Mess- und Regelverfahren von hoher Bedeutung.
Zu den Arbeitsinhalten des Arbeitsbereichs gehört neben der Verfahrensentwicklung/-weiterentwicklung beim Einsatzhärten (Aufkohlen und Carbonitrieren), die Untersuchung des Verfahrenseinflusses auf das Randschichtgefüge sowie die sich daraus ergebenden Bauteileigenschaften. Im Fokus der Entwicklungen steht dabei auch die gezielte Anpassung der Randschichtgefüge an die jeweiligen spezifischen Belastungen durch eine gezielte Modifikation der Phasengemische.
In der industriellen Praxis werden beim Einsatzhärten üblicherweise martensitische Randschichten mit geringen Anteilen von Restaustenit eingestellt. Die Erarbeitung neuer Randschichtgefüge aufgekohlter und carbonitrierter Bauteile durch bainitische Umwandlung oder variierende Anteile an Martensit, Bainit sowie Restaustenit mit Carbiden und Carbonitriden wird als zentraler Entwicklungstrend für verbesserte Bauteileigenschaften verfolgt.
Gasaufkohlen von Schrägverzahnungen
Induktionshärten
Das induktive Randschichthärten ist eine energieeffiziente, umweltschonende und schnelle Technologie, um die Randschicht von Bauteilen zu härten und dabei die Kernfestigkeit der verwendeten Vergütungsstähle beizubehalten. Durch das taktile Härten und die kurzen Wärmebehandlungsdauern lässt sich die induktive Wärmebehandlung zudem flexibel in die Fertigungskette integrieren. Damit lassen sich optimierte Materialflüsse darstellen sowie Durchlaufzeiträume und Umlaufbestände reduzieren. Die Wärmeerzeugung erfolgt bei diesem Verfahren durch Joulsche Wärme aus Wirbelströmen, die mittels elektromagnetischer Induktion direkt in der Randschicht des ferromagnetischen Materials erzeugt werden, wobei Stromstärke im Induktor und Frequenz die wesentlichen Parameter darstellen.
Neuere Entwicklungen erlauben die gleichzeitige Anwendung unterschiedlicher Frequenzen, um so den Energieeintrag in das Bauteil gezielt anzupassen. Der Arbeitsbereich beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Verfahrensentwicklung im Hinblick auf die Anpassung der Bauteileigenschaften an das jeweilige Anforderungsprofil. Die Arbeitsinhalte liegen dabei in der Betrachtung der Werkstoffabhängigkeit entsprechender Wärmebehandlungen. Ferner wird die Wirkung der Prozessparameter auf das Temperaturfeld im Bauteil analysiert. Von Interesse sind ferner Werkstoff- und Bauteileigenschaften, die aus einer entsprechenden Behandlung resultieren. Weiterhin werden Möglichkeiten der Prozessmodellierung und Simulation der entsprechenden Vorgänge betrachtet. Bei Untersuchungen zum Konturhärten steht das Zahnrad als Bauteil im Vordergrund. Die zur Verfügung stehende Zweifrequenz-Technologie bietet anlagentechnisch die Möglichkeit, Bauteile (z. B. Zahnräder) konturnah, d. h. ähnlich einer Einsatzhärteschicht zu härten.
Härten einer Umlaufbiegeprobe mit scharfem Kerb während des Austenitisierns des Kerbbereichs
Sensorik und Nitrieren
Sensoren ermöglichen in weiten Bereichen der Fertigung eine Automatisierung mit einer damit einhergehenden verbesserten Qualitätssicherung. Insbesondere die industrielle Transformation in Richtung „Industrie 4.0“ fordert weitergehende Automatisierung auch in den verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren. Auf dem Gebiet der Wärmebehandlung werden bereits in vielen Bereichen, insbesondere zur Temperatur- und Atmosphärenregelung, erfolgreich Sensoren eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel ist der Einsatz von Sauerstoff- und Wasserstoffsonden bei den Aufkohl- und Nitrocarburierverfahren. Mit ihnen können reaktive Behandlungsatmosphären erfasst, kontrolliert und geregelt werden. Beim Carbonitrieren wurde in den letzten Jahren erfolgreich ein Sensorsystem mit integrierter Simulation der Diffusions- und Ausscheidungsvorgänge entwickelt und in den Markt gebracht.
Der Einsatz von Gassensoren ist zwar notwendig jedoch nicht ausreichend, da sie keine Aussagen über den aktuellen Werkstoffzustand, der als Zielgröße bei Wärmebehandlungsprozessen im Vordergrund des Interesses steht, liefern. Weitere Arbeiten konzentrieren sich daher auf die Sensorentwicklung zur Erfassung des aktuellen Wärmebehandlungszustandes. Erfolgreiche Entwicklungen wie der Nitriersensor für Nitrier- und Nitrocarburierprozesse, die Entwicklung von Sensoren zur in situ Qualifizierung und Quantifizierung der Werkstoffgefüge wie z. B. Bainit, Martensit und Anlassgefüge während der Wärmebehandlung inclusive angepasster Ablaufsteuerungen konnten in der Vergangenheit realisiert werden.
Im Bereich der Nitrier- und Nitrocarburierverfahren stehen Verfahrensentwicklungen für beanspruchungsoptimierte Bauteilanwendungen wie das Tiefnitrieren von Zahnrädern und Anwendungen für Warm- und Kaltarbeitswerkzeuge ebenso im Fokus wie Anwendungen mit enger Spezifikation im Stahlspektrum von unlegierten bis austenitischen Stählen. Dabei kann auf Anlagen des ganzen Verfahrens- und Kombinationsspektrums des Nitrierens und Nitrocarburierens von Plasma (inkl. Aktivgitter) und Niederdruck bis zu kennzahlgeregelten Normaldruckprozessen zurückgegriffen werden.
Darüber hinaus wird auch an Aspekten der Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Ökologie wie die Energieeffizienz von Nitrieranlagen und Nitrierprozessen gearbeitet. Schließlich werden auch Grundlagenthemen wie die Porenentstehung oder das Nitrieren von Nichteisenwerkstoffen wie Aluminium-, Titan- und Nickellegierungen in enger Kooperation mit der Industrie verfolgt. Auch die Weiterentwicklung des Nachoxidierens zählt dazu.
Plasmanitrieren eines Zahnrades
Simulation und Abschrecktechnologie
Die rechnerische Modellierung von Wärmebehandlungsprozessen eröffnet neue Möglichkeiten für eine wärmebehandlungsgerechte Konstruktion. Im Vordergrund steht die Simulation von Härtungsvorgängen und hier insbesondere des Abschreckvorgangs unter Berücksichtigung des Einflusses von Werkstoffinhomogenitäten auf das Umwandlungsverhalten. Derartige Arbeiten können nach dem heutigen Stand der Technik lediglich grundlagenorientiert angelegt sein, da nur ein Bruchteil der Einflussgrößen erfasst und in den Modellen berücksichtigt werden kann. Weiterhin werden bestehende Modelle mit dem Ziel, auch Prozessschritte wie das Anlassen in die Simulation zu integrieren, kontinuierlich erweitert. Aktuelle Themen bei der Modellierung von Wärmebehandlungsprozessen sind die bainitische Umwandlung unter Spannung, das Anlassen sowie Phasenumwandlungen bei der Additiven Fertigung von härtbaren Stählen.
Maßänderungen und Verzug stellen ein zentrales Problem bei der Fertigung von Bauteilen dar. Häufig werden sie allein mit der Wärmebehandlung als einem der letzten Fertigungsschritte in Verbindung gebracht. In vielen Fällen werden durch Wärmebehandlungsschritte jedoch nur Plastifizierungen durch thermisch bedingten Eigenspannungsabbau ausgelöst, die ihre Ursache in vorangegangenen Fertigungsschritten haben. Aufgrund der außerordentlichen Komplexität derartiger Vorgänge müssen auf der Basis einer langfristigen Strategie Einzelaspekte untersucht und zu einem Gesamtbild zusammengefasst werden. Aktuell beschäftigt sich die Wärmebehandlungssimulation mit dem Einfluss der Bauteilgeometrie auf die Maß- und Formänderungen speziell im Rahmen der Leichtbauentwicklungen und der Berücksichtigung von Effekten aus vorhergehenden Prozessen (bspw. der Umformung) bzgl. der Maß- und Formänderungen.
Formänderungsberechnung: Zeitl. Entwicklung der Zahnkranz-Kippung und Phasenumwandlung während eines Abschreckprozesses in Öl
Im Fokus der Abschrecktechnologie stehen Arbeiten zur Charakterisierung der Abschreckwirkung von Ölen und wässrigen Polymerlösungen hinsichtlich der Zielgrößen Gefüge und Härte. Daneben werden auch weiterhin Arbeiten auf dem Gebiet des Gasabschreckens durchgeführt. Durch die Weiterentwicklung der Vakuumwärmebehandlungsanlagen auf dem Gebiet des Hochdruckgasabschreckens wurden neue Möglichkeiten eröffnet, flüssige durch gasförmige Abschreckmedien zu ersetzen, wenn die Härtbarkeit der eingesetzten Werkstoffe ausreicht. Die Abschreckwirkung wird in erster Linie über die Parameter Gasart, Abschreckdruck und Anströmgeschwindigkeit bestimmt. Es laufen zu diesem Themenfeld Untersuchungen zur Charakterisierung der Abschreckwirkung in Verbindung mit Vakuumwärmebehandlungen wie auch im Anschluss an Schutzgaswärmebehandlungen. Neben Aspekten der Verzugsminimierung stehen ökologische Aspekte im Vordergrund der Untersuchungen.
Projekte der Wärmebehandlung
ETA im Bestand – Technologie- und Methodenbaukasten zur Energieeffizienzsteigerung im Bestand der Metall verarbeitenden Industrie
In dem Verbundprojekt wird die Wertschöpfungskette eines beispielhaften metallischen Bauteils im Forschungsmaßstab
abgebildet. Dies ermöglicht eine energetische Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte.
Im regulären Betrieb werden meist nur die „Low Hanging Fruits“ zur Steigerung der Energieeffizienz ausgeschöpft. Eine flächendeckende Ausschöpfung auch der komplexen, systemischen Energieeffizienzpotenziale im Industriebestand ist jedoch unbedingt erforderlich, um die ambitionierten Klimaziele der Bundesregierung erreichen zu können. Im Zuge dessen erforscht der Kompetenzbereich Wärmebehandlung des Leibniz-IWT im Teilprojekt 3 „Energieeffiziente Wärmebehandlung“ die Möglichkeiten den Wärmebehandlungsprozess energieeffizienter zu gestalten. Als Use Case wurde der Prozess des Gasnitrierens gewählt. Das Nitrieren ist ein Verfahren der thermo chemischen Randschichtbehandlung, bei dem ein Bauteil in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre geglüht wird.
Die Basis für weitere Forschungs- und Effizienzsteigerungsmaßnahmen entstand aus der energetischen Analyse von Bestandsanlagen. Neben diskontinuierlich arbeitenden (Kammer-)Ofenanlagen, wurden ebenfalls Durchlauföfen mittels Oberflächenthermografie und Energieverbrauchsmessungen betrachtet. Eine thermografische Aufnahme eines Wärmebehandlungsofens ist in der Abbildung dargestellt. Da die Neubeschaffung von Wärmebehandlungsöfen meist mit einem enormen finanziellen Aufwand verbunden ist, sollen Modernisierungstechniken von Bestandsanlagen betrachtet werden. Eine modernisierte Anlagentechnik umfasst neben neuesten Dämmtechnologien auch die Anpassung der Anlagenperipherie, insbesondere der thermischen Prozessabgasaufbereitung. Hierbei muss eine Kontamination der Produktionsumgebung mit den vorliegenden Gasspezies ausgeschlossen werden. Der Transfer der wissenschaftlichen Erkenntnisse soll mithilfe der Entwicklung eines Expertensystems gelingen. Dieses soll, neben der Implementierung in gängige Konstruktionssoftware, auch die Wärmestromsimulation der Ofenanlage beinhalten. Das Softwaretool wird der Ofenbauindustrie an die Hand gegeben und kann vorhandene Wärmebrücken aufzeigen.
Kooperation: PTW TU Darmstadt
Förderung: BMWK-PtJ
Kontakt:
M.Sc. Tim Oelker
Tel.: +49 421 218 51303
E-Mail: oelker@iwt-bremen.de
Einfluss der fertigungsbedingten Randschichtveränderung auf die Nitrierbarkeit von Schmiedewerkzeugen
Das Nitrieren ist eine thermochemische Wärmebehandlung, bei der Stickstoff in die Bauteilrandschicht eindiffundiert wird,
um die Randschichteigenschaften zu verbessern. Bei Temperaturen unterhalb von 600 °C wird eine Nitrierschicht an
der Bauteiloberfläche gebildet, welche je nach Verfahrensvariante und behandelter Legierung aus Nitriden und/oder
Carbonitriden besteht.
Da diese festigkeitssteigernden Ausscheidungen bis hin zur Nitriertemperatur stabil sind, wird das Nitrieren u. a.
zur Verbesserung der Warmfestigkeit von Schmiedegesenken eingesetzt. Durch die geringen Prozesstemperaturen
findet beim Erwärmen keine Phasenumwandlung und keine martensitische Härtung der Bauteile statt. Bedingt
hierdurch kann die bauteilnahe Endfertigung bereits vor der Wärmebehandlung stattfinden. Somit wird ein Fertigungs-
schritt in der Prozesskette eingespart. Die Bearbeitung der Bauteile findet zumeist über spanende Fertigungsverfahren
unter Zuhilfenahme von Kühlschmierstoffen statt. Hierbei führen Wechselwirkungen der Werkzeugrandschicht mit dem
Bauteil und dem Kühlschmierstoff sowie der thermischen Last zu einer Entstehung von Randschichtzuständen, welche
das Nitrierergebnis negativ beeinflussen. Die Abbildung zeigt beispielhafte Oberflächenzustände nach dem Schleifen mit
unterschiedlichen Prozessparametern. In diesem Forschungsvorhaben wird untersucht, unter welchen Bedingungen
Randschichtveränderungen während der Hartfeinbearbeitung entstehen und wie sich diese auf das Nitrieren auswirken,
um eine optimale Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte in der Prozesskette nitrierter Werkzeuge und Bauteile zu
ermöglichen.
Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT
Förderung: BMWK-AiF/IGF (AWT)
Kontakt:
M.Sc. Tim Oelker
Tel.: +49 421 218 51303
E-Mail: oelker@iwt-bremen.de
WINDUCTION – Ökologisches Design einer alternativen Produktionsroute für Planetenzahnräder von Windturbinengetrieben
Das Hauptziel von WINDUCTION ist die Entwicklung eines umweltfreundlichen und energiesparenden Produktionsverfahrens für Zahnräder in Windturbinen-Getrieben, der basierend auf dem Ersatz der Einsatzhärtung durch das Induktionshärten erreicht werden soll.
Hierzu ist es wichtig, die Verteilung der Eigenspannungen in der Randschicht zu verstehen. Mittels Röntgenstrahlung wurden fünf Varianten untersucht, die sich in Bezug auf den Werkstoff (50CrMo4, 56NiCrMoV7, 56NiCrMoVBi7) und verschiedene Härte aus der Vorbehandlung (low hardness, high hardness) unterschieden. Im beiliegenden Diagramm sind die Ergebnisse für alle Varianten dokumentiert. Alle Varianten haben Druckspannungen in der Randschicht.
In der Übergangzone ist ein Wechsel in Richtung Zugspannung zu erkennen. Die maximale Zugspannung erfolgt aus der Härte der entsprechenden Variante. Je höher die Härte, desto höher ist die maximale Zugeigenspannung.
Förderung: EU Projekt/RFCS-2020
Kontakt:
M.Sc. Grace Babb
Tel.: +49 421 218 51331
E-Mail: babb@iwt-bremen.de
Dr.-Ing. Holger Surm
Tel.: +49 421 218 51342
E-Mail: surm@iwt-bremen.de
Einsatz von randoxidationsfreien Aufkohlungsverfahren und mehrstufiger Umwandlung für hochfeste Randschichtzustände
Bei hochbeanspruchten antriebstechnischen Bauteilen kommt in der Regel das Einsatzhärten zur Anwendung. Dagegen sind isothermisch umgewandelte bainitische Randschichten bislang kaum untersucht worden.
Die aus dem Einsatzhärten resultierende Eigenschaftskombination eines duktilen Kerns und einer harten mit Druckeigenspannungen beaufschlagten Randschicht mit einer bainitischen Umwandlung zu kombinieren, bietet das Potential einer weiteren Steigerung der Dauerfestigkeit.
Die Charakterisierung der verschiedenen Varianten umfasst auch die Umlaufbiegeprüfung. Insgesamt sieben Varianten wurden getestet. Es ergibt sich für den Bereich der Zeitfestigkeit, beschrieben durch die Basquin-Gleichung, keine signifikant gesteigerte Schwingfestigkeit der bainitischen Varianten gegenüber der einsatzgehärteten Referenz.
Kooperation: WZL Aachen
Förderung: BMWK-AiF-IGF/AWT
Kontakt:
Dr.-Ing. Holger Surm
Tel.: +49 421 218 51342
E-Mail: surm@iwt-bremen.de
Ressourceneffiziente Zahnräder für moderne Höchstdrehzahl-Antriebskonzepte (Light4Speed)
Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs reduziert die Anzahl getriebetechnischer Bauteile maßgeblich. Dennoch werden derzeit auch im Bereich von Elektrofahrzeugen und deren Antriebsstrang erhebliche Anstrengungen unternommen, um Leichtbaupotenziale zu erkennen und umzusetzen.
Ein entscheidender Gewichtstreiber ist derzeit der E-Motor, der aufgrund der abgeforderten hohen Drehmomente in seinen Dimensionen groß ausgelegt werden muss. Deshalb werden neue Konzepte auf Basis kleinerer Elektromotoren angestrebt, die die geforderte Leistung zur Verfügung stellen. Hierzu werden im Projekt verschiedene Ansätze untersucht, Leichtbau bei gleichzeitig gestiegener Zahnradbeanspruchung durch erhöhte Drehmomente zu vereinbaren. Am Leibniz-IWT wurde dazu eine
Kugelstrahlanlage mit Spanndorn in Betrieb genommen. So kann das Kugelstrahlen unter Aufweitung des Zahnrads durchgeführt werden, wodurch eine erhöhte Druckeigenspannung nach dem Kugelstrahlen erreicht werden soll.
Eine Übersicht über das Verbundprojekt Light4Speed findet sich unter: light4speed.de
Kooperation: FZG München, Volkswagen AG, ALD Vacuum Technologies GmbH, HEESS
GmbH & Co KG, OSK-Kiefer GmbH Oberflächen- & Strahltechnik
Förderung: BMWK
Kontakt:
Dr.-Ing. Martin Hunkel
Tel.: +49 421 218 51341
E-Mail: hunkel@iwt-bremen.de
FVA945I „Induktionshärten 3D-gedruckter Zahnräder“ – Induktionshärten funktionsintegrierter, additiv gefertigter Leichtbau-Stirnräder
Der nachhaltige Umgang mit der Umwelt sowie die effiziente Nutzung von Ressourcen ermöglichen den Erhalt unseres Planeten. Effiziente und nachhaltige Antriebsstränge können durch Zahnräder mit gesteigerter Leistungsdichte realisiert werden.
Die Kombination von additiver Fertigung und induktiver Wärmebehandlung führt mittels gesteigerter Festigkeit und verringertem Gewicht zur angestrebten höheren Leistungsdichte. Die additive Fertigung mittels PBF-LB/M ermöglicht innovative und kraftflussgerechte Leichtbaugestaltungen. Weiterhin weist das gedruckte Material eine hohe Versetzungsdichte auf, welche durch das effiziente Induktionshärten für eine höhere Randschichthärte sowie gesteigerte Bauteilfestigkeit genutzt werden kann. Im Vorhaben werden Modellproben und Zahnräder verschiedener Werkstoffe, Leichtbaudesigns und Wärmebehandlungen experimentell auf ihre Tragfähigkeit untersucht, um mechanische Kennwerte zu ermitteln und somit die optimale Kombination mit dem größtmöglichen Potential zu identifizieren.
Kooperation: FZG TU-München
Förderung: BMWK-AiF/IGF 20150 N/FVA 945 I
Kontakt:
M.Sc. Nicolai Haupt
Tel.: +49 421 218 51439
E-Mail: haupt@iwt-bremen.de
Identifikation von verzugskritischen Strömungen bei der Ölabschreckung von Wellen in industriellen Abschreckbädern
Der Abschreckprozess nach einer Wärmebehandlung von Bauteilen beinhaltet ein großes Verzugspotential. Ziel dieses Vorhabens ist es, zur Verzugsbeherrschung Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Strömungen im Abschreckbad und dem resultierenden Verzug von Getriebewellen zu erlangen.
Dafür wurden Einsatzhärteversuche an Serienwellen aus dem PKW- und Nutzfahrzeugsektor durchgeführt, die unter Beeinflussung der Strömung nach dem Einsatzhärten in einem industriellen Abschreckbad abgeschreckt wurden. Die Strömungsverteilung im Abschreckbad mit kalter Charge wurde durch Strömungsmessungen mittels Flügelradanemometrie charakterisiert. Im nächsten Schritt erfolgt nun die ganzheitliche Betrachtung von Betrag und Richtung des aufgetretenen Verzugs, in Verbindung mit der lokalen Strömungsverteilung. Zusätzlich wurden in einem Laborabschreckbad definierte Strömungen erzeugt und anhand der Abschreckung von Zylinderproben der Einfluss der Wiederbenetzung auf den Verzug sichtbar gemacht.
Förderung: AiF / AWT (22411N)
Kontakt:
M.Sc. Gabriel Ebner
Tel.: +49 421 218 51407
E-Mail: ebner@iwt-bremen.de
SFB/TRR 136 „Prozesssignaturen“ – Transferprojekt T06: Datenbasierte Lebensdauerprognose für eine funktionsorientierte Induktionshärtung
Das Projekt zielt darauf ab, die Prozessparameter einer Induktionshärtung so vorherzusagen, dass geforderte Bauteileigenschaften, wie die Schwingfestigkeit von Wellen, im Kontext einer funktionsorientierten Fertigung erfüllt werden. Dies wird durch die Invertierung der Prozesssignatur und die Berechnung lokaler Schwingfestigkeiten erreicht.
Im Rahmen des Transferprojekts werden spezifische Prozesssignaturen für die rein thermische Behandlung rotationssymmetrischer Bauteile entwickelt. Diese Signaturen, kombiniert mit den berechneten lokalen Festigkeiten und dreidimensionalen Spannungstensoren, dienen der Schwingfestigkeitsanalyse mittels des Fehlstellenmodells. Die erforderlichen Parameter für die Analyse werden durch experimentelle Untersuchungen ermittelt, hierbei werden unterschiedliche initiale Gefügezustände betrachtet und u. a. Eigenspannungsmessungen und Umlaufbiegeprüfungen durchgeführt. Die Methode wird in Kooperation mit einem Industriepartner anhand eines praxisrelevanten Beispielbauteils evaluiert.
Kooperation: eldec Induction GmbH
Förderung: DFG (Transferbereich SFB TRR136)
Kontakt:
M.Sc. Tobias Heinrich
Tel.: +49 421 218 51338
E-Mail: heinrich@iwt-bremen.de
Einfluss von optimierten Tieftemperaturbehandlungen auf die Zahnradtragfähigkeit
Die Auswirkung von Tieftemperatureinflüssen auf die Zahnradtragfähigkeit wurde bereits in vorherigen Projekten untersucht.
Auf Grundlage dieser Untersuchungen können die Einflüsse tiefer Temperaturen auf die Tragfähigkeit einsatzgehärteter
Zahnräder quantifiziert werden.
Jedoch stehen derzeit keine ausreichenden Informationen für alle Temperaturbereiche sowie für weitere Baugrößen
zur Verfügung. Des Weiteren sind die Wirkzusammenhänge, welche abhängig vom Werkstoff zu veränderten
Randzonen- und Geometrieeigenschaften und in der Folge zu Tragfähigkeitsveränderungen führen, nicht
abschließend geklärt. Es wurden Untersuchungen im Röntgendiffraktometer durchgeführt. Das Tiefkühlen der Probe
wurden in einer speziellen Messkammer mithilfe einer Sub-Zero-Einheit realisiert. So konnte der Verlauf der Phasen-
anteile der Randschicht einer aufgekohlten Probe während des Kühlens und Wärmens studiert werden. Ab einer
Temperatur von ca. -20 °C setzte die Umwandlung von Restaustenit in Martensit ein. Diese setzt sich kontinuierlich
bis in einen Temperaturbereich bis -120 °C fort. Beim weiteren Kühlen als auch beim Wärmen sind keine weiteren
Änderungen im Restaustenitgehalt zu identifizieren.
Kooperation: FZG
Förderung: BMWK-AiF/IGF + FVA
Kontakt:
Dr.-Ing. Holger Surm
Tel.: +49 421 218 51342
E-Mail: surm@iwt-bremen.de
Einsatzgehärtete Wellen – Gezielte Berücksichtigung des Einsatzhärtens bei der Auslegung wellenartiger Bauteile
Das Einsatzhärten ist für die gezielte Dauerfestigkeitssteigerung von wellenartigen Bauteilen ein erprobter Standard in der Antriebstechnik. Wie in einer Vorstudie gezeigt wurde, vermögen die existierenden Rechenvorschriften für wellenartige Bauteile (DIN 743, FKMRichtlinie) jedoch nicht, den resultierenden Randschichtzustand differenziert in ein Dauerfestigkeitskonzept zu integrieren.
Einem einsatzgehärteten Bauteil werden über dessen Kohlenstoff-Tiefenverlauf lokale Festigkeitskennwerte zugeordnet. Diese Kennwerte werden an homogenen Werkstoffproben bestimmt, die für die Versuche im Prüfbereich durchgekohlt werden. Entsprechende Simulationsstudien liegen im Aufgabenbereich des Leibniz-IWT. Das Ergebnis dieser FEMRechnungen ist in Bezug auf die Verteilung des Kohlenstoffgehaltes, der Härte, des Restaustenitgehaltes und der Eigenspannung in der Abbildung dokumentiert.
Kooperation: IMM Dresden, IKAT Chemnitz
Förderung: BMWK-DLR-IGF/FVA
Kontakt:
Dr.-Ing. Holger Surm
Tel.: +49 421 218 51342
E-Mail: surm@iwt-bremen.de
Legierungs- und Prozessdesign mit ICME-basierten Methoden zur Herstellung von Hochleistungskomponenten mit nanobainitischem Gefüge
Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines integrierten Simulationsrahmens für die Entwicklung eines Einsatzstahls und eines Einsatzhärtungsprozesses mit optimierten Legierungselementen und Wärmebehandlungsparametern.
Es wird erwartet, dass an der aufgekohlten Oberfläche eine ultrafeine nano-bainitische Mikrostruktur entsteht, die wiederum die Dauerfestigkeit von Antriebskomponenten deutlich verbessert. Dies wird durch den Einsatz der ICME-Methodik und modernster experimenteller Überprüfungen sowie durch Benchmarking der Ergebnisse mit derzeit verfügbaren kommerziellen Materialien erreicht. Die entwickelte Stahlsorte und der Prozess werden zur Herstellung von Antriebskomponenten eingesetzt, zunächst in der Automobilindustrie und später in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Kooperation: IEHK Aachen
Förderung: FOSTA P1545
Kontakt:
Dr. Chengsong Cui
Tel.: +49 421 218 51404
E-Mail: cscui@iwt-bremen.de
Auswirkung einer Tiefsttemperaturbehandlung im Wärmebehandlungsprozess von Werkzeugstählen auf Korrosionsbeständigkeit, Maß- und Formhaltigkeit und Bruchzähigkeit (Nanocarbide II)
Die Auswirkung einer Kryobehandlung im Wärmebehandlungsprozess auf den Verzug, die Korrsionsbeständigkeit und die
Bruchzähigkeit der Werkzeugstähle X153CrMoV12, X190CrVMo20-4 und X90CrMoV18 wurde untersucht.
Die Maßhaltigkeit der Werkzeugstähle kann durch die Kryobehandlung aufgrund der Umwandlung von Restaustenit erhöht werden. Niedrigere Anlasstemperaturen und eine geringere Anzahl von Anlasszyklen verbessern die Korrosionseigenschaften der Werkzeugstähle, was auf den höheren Chromgehalt im Mischkristall zurückzuführen ist. Darüber hinaus wirkt sich die Kryobehandlung positiv auf die Bruchzähigkeit aus und verringert die Wasserstoffempfindlichkeit aufgrund der fein verteilten Karbidausscheidungen.
Kooperation: Leibniz Universität Hannover (IW) und BFI Betriebstechnik GmbH
Förderung: AiF-FOSTA P1632
Kontakt:
Dr. Chengsong Cui
Tel.: +49 421 218 51404
E-Mail: cscui@iwt-bremen.de